Глава 2. Строение основных материалов 3 страница

Обратимая интеркалация лития в графит и некоторые слоистые оксиды используется в процессах зарядки-разрядки литий-ионных аккумуляторов (разд. 7.3).

Быстрое выделение интеркалированных веществ из межслоевого пространства графита при резком нагревании может вызвать расщепление графита. Таким путем получают особый материал – терморасширенный графит (разд. 6.2.3). В пределе можно выделить вещество, состоящее из мономолекулярных слоев – графен (разд. 6.2.2). Графен содержит на кромках весьма активные атомы с нескомпенсированными связями. Случайное сворачивание графена может приводить к замыканию этих связей и образованию углеродных нанотрубок (разд. 6.2.4), наноконусов или фуллеренов (разд. 6.2.5).

Графит – не единственное вещество, состоящее из плоских сеток атомов.^2-35 Дихалькогениды переходных металлов имеют состав MX₂ (M = Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W) и образуют гексагональные или ромбоэдрические слоистые структуры. Атомы M занимают тригонально-призматические или октаэдрические позиции между двумя слоями плотноупакованных атомов X (рис. 25). Эти Х–M–Х-сэндвичи набраны столбиками вдоль гексагональной оси с. Внутри групп MX₂ – сильные ковалентно-ионные связи, между отдельными группами – слабые ван-дер-ваальсовы.

Рис. 25.

Дихалькогениды образуют три группы интеркалатов:

а) с молекулами типа оснований Льюиса (NH₃, амины, пиридины),

б) с катионами металлов или комплексными катионами (Li, Na, K, (C₆H₅)₂Co⁺.),

в) с катионами и с нейтральными полярными молекулами, сольватированными в ван-дер-ваальсовской щели.^2-36

В перезаряжаемых литиевых химических источниках тока положительным электродом могут служить слоистые соединения Li_xMn₂O₄, Li_xCoO₂ , Li_xNiO₂, V₂O₅ и др. (разд. 7.5).

Все слоистые соединения способны при определенных условиях образовывать микро- или нанотрубки, а некоторые – фуллереноподобные молекулы (разд. 6.2.5). Эти вещества образуют своеобразный класс наноматериалов и способны давать соединения включения.

2.2. Поликристаллы

Поликристалл – твердое тело, состоящее из разориентированных друг относительно друга, имеющих одну и ту же кристаллическую структуру зёрен (кристаллитов). Образование кристаллитов связано с механизмом кристаллизации. Вне зависимости от того, из какой фазы протекает кристаллизация (из раствора, расплава, пара или из другого твердого вещества, при полиморфном переходе или термическом разложении), она обычно охватывает большое число центров кристаллизации. Разные центры могут образовываться в разное время, а образующиеся в них зародыши новой твердой фазы могут расти с несколько отличающейся скоростью.

Образующиеся на начальных стадиях микрокристаллы могут иметь правильную форму и четкую огранку, хотя и ориентированы друг относительно друга по-разному. Однако после пересечения (смыкания) отдельных зародышей, что также происходит не одновременно, их форма определяется уже не законами роста кристаллов, а взаимным распределением в пространстве и различиями размеров.

Кристаллиты не всегда являются полностью бесформенными. Как и для монокристаллов, для них характерно образование форм, близких к иголкам, столбикам, пластинкам, равноосным полиэдрам. При этом степень разупорядочения может также меняться, и при определенных условиях выделяются поликристаллы, обладающие текстурой (от латинского textura – связь, строение), то есть содержащие сходно ориентированные по одному или нескольким кристаллографическим направлениям кристаллиты одинаковой формы.

Текстура может возникать непосредственно при кристаллизации (текстура роста) за счет того, что механизм образования всех кристаллитов и внешние условия при кристаллизации одинаковы, или в результате внешних воздействий при рекристаллизации. Выделяют осевую и плоскую текстуру: в первом случае близкую ориентацию имеют какие-либо кристаллографические оси кристаллитов, во втором – какие-либо кристаллографические плоскости.^2-37

Наличие и характер текстуры сильно влияет на многие свойства поликристаллов: механическую прочность, оптические, магнитные, электрические и другие характеристики.

Особенностью поликристаллов является неоднородное распределение примесей, которые накапливаются на межфазных границах. Это вызывает ряд нежелательных эффектов, например усиление коррозии.

Под керамикой обычно понимают изделия и материалы, получаемые спеканием порошков. Более современное понимание керамики значительно шире и включает материалы, получаемые в процессах химического осаждения из газовой фазы и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (разд. 5.2.1), а также методом реакционного спекания и с помощью физических и химических методов нанесения покрытий (разд. 5.1.2 и 5.2.2), если они близки по структуре к материалам, получаемым спеканием.

Существует несколько подходов к классификации керамики. По характеру связей в образующих керамику веществах ее подразделяют на керамику с ионной связью и керамику с ковалентной связью.

По числу фаз керамика делится на однофазную и многофазную, или керамический композит. Однофазная керамика мало отличается от поликристаллов или не отличается от них совсем.

По размеру зерен принято выделять грубую керамику (крупнозернистая) и тонкую керамику. Классификация по макроструктуре включает плотную керамику и пористую керамику. Керамика может быть объемной (массивная) или в виде керамических покрытий. В отличие от поликристаллов керамика может содержать стекловидную фазу.

Основные классы керамики по ее составу включают:

а) силикатную керамику,

б) оксидную керамику,

в) неоксидную керамику (карбидная, боридная, нитридная, силицидная, сульфидная, фторидная и др.).

Вообще изменение свойств порошков при уменьшении размеров отдельных частиц и свойств поликристаллов при уменьшении размеров зёрен часто происходит по иным законам: в случае поликристаллов большое значение имеют строение и свойства границ зёрен и поверхности раздела. Любая поверхность раздела может рассматриваться как двумерный дефект, поскольку атомы на поверхности имеют отличную от атомов в объеме кристалла свободную энергию, а разница этой энергии (поверхностная энергия) может достигать 2.0 Дж/м².

Принято различать внешнюю и внутреннюю поверхность раздела.^2-38 Внешняя поверхность разделяет твердое тело и подвижную среду и неизбежно содержит какое-то количество адсорбированных компонентов среды. Внутренняя поверхность, которую в некоторых русских руководствах рекомендуют называть границей раздела, адсорбированных компонентов внешней среды, как правило, не содержит и находится между двумя твердыми телами.

Внутренние поверхности раздела по типу структуры разделяемых ими областей кристалла одного состава могут быть:

а) межзеренными (интеркристаллитными),

б) межблочными,

в) интердоменными (антифазными).

Кроме того, они могут разграничивать две твердых фазы.

Кристаллит, кристаллическое зерно– монокристалл, не имеющий характерной кристаллической огранки – одна из основных форм существования монокристаллов (другие формы – пленки, усы, дендриты). Отличие кристаллических зерен от блоков состоит в степени их разупорядочения друг относительно друга: Одинаковые кристаллографические плоскости соседних блоков образуют между собой небольшой угол (градусы или доли градуса), в то время как зерна могут быть разориентированы очень сильно (десятки градусов).

Кристаллы с блочной структурой относят к монокристаллам, в то время как имеющие зернистую структуру – к поликристаллам.

Ферромагнитные домены – самопроизвольно намагниченные до насыщения части объема ферромагнетика – имеют размер 10–100 мкм, сегнетоэлектрические домены – области самопроизвольной однородной поляризации сегнетоэлектрика – 0.1–10 мкм.

Межзеренные и межблочные границы резко отличаются от интердоменных границ: переход от структуры одной ориентации к другой в зернистых поликристалах осуществляется в пределах нескольких – в предельном случае всего двух – межатомных расстояний, а области изменения магнитных моментов занимают по ширине десятки и сотни межатомных расстояний. Несмотря на отсутствие прямых методов определения толщины межзеренных границ, считается, что интердоменные границы являются «толстыми», а межзеренные – «тонкими». В том и другом случае правильнее говорить о пограничных объемных областях, имеющих разупорядоченную структуру. Большая толщина границ облегчает наблюдение и исследование доменов.

Границы между двумя твердыми фазами могут быть когерентными, некогерентными и полукогерентными. При полном соответствии в межатомных расстояниях в одной и другой фазе граница когерентна, а поверхностная энергия имеет наименьшее значение (не более 0.015 Дж/м²). При этом создаются идеальные условия для эпитаксии и топотаксии – образования монокристаллических тонких (толщиной в моноатомный слой) – и толстых пленок. Примером является структура (100) NiAl || (100) Ni.

Полукогерентные границы образуются, когда соответствие структуры или ориентации не является полным. При эпитаксиальном росте металлов на металлах такие границы характеризуются или искажением приграничных областей – растяжением и сжатием межатомных связей, или образованием мотивов дислокаций. Полукогерентными можно считать и малоугловые границы между блоками, причем чем больше разупорядочение, тем здесь выше поверхностная энергия.

Межзеренные границы в поликристаллах нельзя считать неподвижными, поскольку при отжиге происходит заметное перемещение границ и уменьшение их протяженности или площади. Крупные, более устойчивые зерна растут, а мелкие исчезают за счет разницы в поверхностной энергии. Происходит процесс рекристаллизации, сопровождающийся также уменьшением внутренних напряжений поликристалла.

Подвижностью обладают и интердоменные границы некоторых кристаллов, причем это свойство все шире применяется на практике в устройствах переработки информации. Монокристаллические пленки или тонкие пластинки магнитноодноосных ферритов могут содержать 10⁶–10⁷ на квадратный сантиметр цилиндрических, имеющих малые размеры и способных перемещаться в слабых полях доменов. Отсутствие или наличие доменов можно использовать как двоичный код для записи информации и получать таким образом до 10⁶–10⁷ бит. Технические средства, обеспечивающие генерирование и уничтожение цилиндрических доменов, их перемещение и регистрацию, уже созданы.

Уменьшение размеров кристаллитов значительно меняет вклад пограничных областей между ними. Объемные доли границ раздела, границ зерен и тройных стыков выражаются уравнениями:

Δ V _ГР = 1 – [(d – s)/ d ]³,

Δ V _ГЗ = [3 s (d – s)²] d ³,

Δ V _ТС = Δ V _ГР - Δ V _ГЗ,

где d – средний диаметр кристаллитов, s – толщина границ раздела (около 1 нм). Величина Δ V _ТС резко возрастает при d < 10 нм. С уменьшением размеров кристаллитов до 2 нм объемная доля межзеренных слоев возрастает до 88% (рис. 26). С ростом доли границ раздела плотность материала падает, поскольку в пограничных областях регулярная кристаллическая решетка сильно искажена.

Рис. 26.

Подвижность границ у наноструктурированных материалов значительно превышает подвижность границ у грубозернистых материалов. Коэффициенты диффузии могут превышать коэффициенты самодиффузии на несколько порядков, а коэффициенты диффузии примесей могут быть на два порядка ниже, чем к грубозернистых материалов.

2.3. Аморфные тела, стёкла и ситаллы

Аморфные материалы характеризуются разупорядоченным расположением атомов, отсутствием в структуре дальнего порядка. Вместе с тем это не бесструктурные вещества, поскольку ближний порядок у них прослеживается.^2-39

Стекло является лишь одной из разновидностей аморфных материалов, его главной отличительной чертой служит способ получения и присущая многим стеклам прозрачность. Правда, современные технологии включают напыление из газовой фазы, воздействие ударных нагрузок, облучение нейтронами и другие методы. Функциональные стёкла и композиты на основе стёкол (например, фосфóры) получают методом золь-гель.

Согласно современным представлениям, различия между аморфными материалами и стеклами определяются величиной скорости охлаждения расплава, которую необходимо достичь для получения сравнительно массивного образца – с линейными размерами более 1 мм. Расплавы хороших стеклообразователей характеризуются скоростями ниже 10 К/с, плохих стеклообразователей – от 10² до 10⁴ К/с, а расплавленные предшественники некоторых материалов могут быть превращены в аморфное состояние при скоростях охлаждения более 10⁴ К/с.

В аморфном состоянии легко получаются отдельные простые вещества, если они могут образовывать полимерные структуры с ковалентной связью.^2-40

К простейшим аморфным материалам относятся «сплавы» кремния и германия с газами – водородом, азотом, фтором и др. Впервые они были получены в 1969 г. и с 1985 г. стали обозначаться формулами а-Si:H, а-Gе:F, а-Si:H,F, а-Si,Gе:H, а-С,Si:H («а» – сокращенное слово «аморфный») и т.п. Атомное отношение H:Si у аморфного кремния может меняться от близких к нулю значений до 0.55, хотя последняя цифра является не предельной, а лишь достигнутой на практике.

Структура этих веществ своеобразна (рис. 27) и включает помимо тетраэдрических фрагментов кристаллической решетки Si или Gе группы ºSiH, =SiH₂, –SiH₃ и (SiН₂) _n. ^2-41

Рис. 27.

В композициях сравнительно устойчивых металлических стекол обязательно присутствует элемент, способный образовывать каркасную структуру (B, Si, Р и др.). Многие составы металлических стекол являются функциональными, в частности магнитными, материалами.

Наиболее изученными являются оксидные стекла. Именно для них Захариазеном разработана модель непрерывной неупорядоченной сетки. Модель предполагает наличие непрерывного трехмерного неупорядоченного, но и не совсем бесструктурного каркаса, а также энергетическое подобие стекла и кристалла, то есть наличие ближнего порядка – координационных полиэдров (разд. 2.2). Последние сочленяются между собой с помощью мостиковой связи, причем в стекле сочленение носит случайный характер, а в кристалле полностью упорядочено.

По Захариазену, который в 1932 г. выдвинул модель «непрерывной нерегулярной сетки», имеется несколько условий стеклования:

а) мостиковый атом кислорода должен быть связан не более чем с двумя атомами металла;

б) координационное число атомов металла должно быть низким;

в) полиэдры MO_n должны соединяться только вершинами, но не ребрами или гранями;

г) при образовании трехмерной структуры по крайней мере три вершины любого полиэдра MO_n должны быть общими с соседними полиэдрами.

Модель обладает предсказательной силой: зная характер связей в кристалле и строение кристалла, можно с определенной вероятностью предсказывать возможности стеклования того или иного расплавленного вещества.

Помимо модели непрерывной нерегулярной сетки структуру стекол представляют с помощью кластерной модели и модели трехцентровых связей, которые здесь не рассматриваются.

Типичными стеклообразующими оксидами являются B₂O₃, SiO₂, GеO₂, Р₂O₅, Аs₂O₃, Аs₃O₅. Все эти оксиды образуют полимерные структуры с мостиковым атомом кислорода. Диоксиды кремния и германия, а также силикаты и германаты в кристаллическом состоянии содержат тетраэдры SiO₄ или GeO₄, связанные мостиковыми атомами кислорода в упорядоченные структуры. При быстром охлаждении расплавов полного упорядочения структуры не происходит, полимерная структура сохраняется, но в ней образуются пустоты и кольца с различным числом тетраэдров. Ближняя структура сохраняется, а дальняя исчезает.

При введении в SiO₂ модификаторов – оксидов щелочных или щелочноземельных металлов пространственная сетка связанных тетраэдров начинает разрыхляться далее, поскольку реакция

M₂O + …Si–O–Si… ® 2М⁺ +...Si=O + О=Si...

приводит к уменьшению числа мостиковых атомов кислорода.

Катионы при этом входят в относительно большие пустоты структуры и располагаются вблизи атомов кислорода. Увеличение концентрации катионов приводит к дальнейшей деполимеризации, более сильному разрыхлению структуры, о чем можно судить по снижению вязкости силикатного расплава, содержащего катионы, и по возрастанию коэффициента термического расширения стекла. Наконец, при определенной степени деполимеризации или разрыхления объемная сетка или ее фрагменты не образуются вовсе, и стекло становится неустойчивым.

Характер связывания катионов с силикатным каркасом (слабая ионная связь) и неупорядоченность структуры определяют высокую подвижность катионов во многих стеклах и ионную проводимость стекол.^2-42

Добавки оксидов щелочных металлов в В₂О₃ ведут себя сначала несколько иначе. До достижения концентрации добавок в 30% они лишь увеличивают координационное число бора с трех до четырех без образования концевых атомов кислорода, то есть без деполимеризации и разрыхления исходной структуры. При этом вязкость расплава растет, а коэффициент термического расширения падает. При введении большего количества катионов, начиная примерно с 50%-ного содержания оксидов щелочных металлов, координационное число начинает уменьшаться и достигает трех при 70%, боратная система ведет себя аналогично силикатной.

Оксид бора вообще обладает рекордной стеклообразующей способностью: получить кристаллы из расплава или стекла удается только под давлением.

К сравнительно новым стеклообразующим системам относятся A1₂О₃–СаО, TеО₂–ВаО–РbО, V₂O₅–ВаО–РbО, системы на основе титанатов, молибдатов и вольфраматов.

Пространственная малоупорядоченная структура аморфного вещества может образовываться также за счет довольно слабых водородных связей, примерами чего служат остеклованные концентрированные Н₃РO₄, Н₂SO₄, НСlO₄, NH₄OH, Н₂O₂ и др.

Для стекол, как и для кристаллов, характерно образование дефектов. Многие стекла имеют своеобразную микроструктуру с размерами неоднородностей порядка десятков и сотен микрометров. Незначительная кристаллизация вызывает появление опалесценции. К структурным дефектам стекол на атомно-молекулярном уровне относятся немостиковый атом неметалла (=O, –F, =S и др.), вакансии атомов неметалла, нарушения КЧ центрального атома, пероксидный мостик и пероксидный радикал в оксидных стеклах (–Si–O–O–Si– и –Si–O–O).

Как уже указывалось ранее (разд. 2.1), в качестве мостиковых атомов могут выступать сера, селен, теллур, а также фтор. Закономерности образования аморфных фаз в халькогенидных и фторидных системах изучены меньше, чем в оксидных, но в главных чертах совпадают.^2-43

Важной характеристикой стекол является их устойчивость. Стекло является термодинамически неравновесной фазой и при определенных условиях кристаллизуется, однако этот процесс имеет особенности.

При охлаждении большинства расплавов ниже точки плавления исходного кристалла происходит кристаллизация, причем переохлаждение расплава (разница между температурой жидкости и точкой плавления) не превышает (0.15–0.35) T _пл. Фрагментарность структуры аморфных материалов и неравноценность отдельных фрагментов приводит к тому, что аморфные материалы не имеют температуры плавления. Аморфное вещество – переходное состояние между жидкостью и кристаллом, причем строение и свойства твердого вещества в этом состоянии даже при одинаковом составе могут быть различными.

Один из признаков систем, склонных к образованию стекол, – способность к значительному переохлаждению расплава.

Характеристические температуры перехода расплава в стекло или твердого стекла в расплав зависят от метода их определения. Так, дилатометрическим методом (по относительному удлинению образцов) при повышении температуры со скоростью 3 К/мин определяют температуру трансформации T _t, а при охлаждении расплава – температуру стеклования T _g (см. рис. 28). Вязкость стекла при температуре стеклования составляет примерно 10¹³ Пз. Величина Т _g тем

Рис. 28.

выше, чем больше скорость снижения температуры W. Для силикатных стекол выведено уравнение, связывающее два эти параметра:

T _g = 1/[ C ₁(1 – 0.03 lg W)] K,

где W выражено в К/с, а постоянная C ₁ зависит от состава стекла.

Величина Т _g для хороших стеклообразователей составляет (0.6–0.8) T _пл.^2-44 Чем меньше отношение Т _g/ Т _пл, тем слабее стеклообразующая способность и тем менее устойчиво аморфное состояние. Для аморфных металлических сплавов это отношение составляет 0.3–0.5.

Температура стеклования наночастиц, как показано на примере частиц TiO₂ диаметром 2–5 нм, вследствие размерного эффекта отличается от значений для массивных материалов.

Область размягчения стекла со стороны низких температур характеризуют температурой исчезновения хрупкости Т _h, а со стороны высоких температур – температурой текучести Т _f. Величина Т _h несколько ниже Т _g. Если вязкость при Т _g равна 10¹³–10¹⁴ Пз, то при Т _f она примерно соответствует 10⁹ Пз.

Вообще вязкость – одна из важнейших характеристик стеклообразующих систем. Вещества, не склонные к полимеризации и образованию аморфных фаз, в расплавленном состоянии имеют сравнительно малую вязкость (порядка десятых и сотых долей пуаза) вне зависимости от их температуры плавления. Вязкость расплавленных стеклообразователей, наоборот, довольно велика (10¹⁵ Пз для B₂O₃, 10⁶ Пз для As₂O₃, BeF₂ и GeO₂, 10⁸ для SiO₂).

После охлаждения большинство стекол содержит зародыши кристаллических фаз, поэтому при повышении температуры выше температуры кристаллизации Т _с (близка к Т _f) происходит образование кристаллических фаз.

О некоторых общих особенностях кристаллизации стекол свидетельствует рис. 29. На рисунке видно, что ниже температуры

Рис. 29.

плавления существует некоторая температурная зона, в которой скорость образования зародышей кристаллической фазы равна нулю – зона переохлаждения. Именно в ее пределах возможно формование изделий из стекла без опасения, что оно подвергнется кристаллизации. Протяженность этой зоны, как и зоны образования зародышей, различна для различных систем. Сильно различаются и скорости роста зародышей кристаллической фазы: для обычных силикатных стекол эти скорости имеют порядок 10^-7м/с, в то время как для металлических стекол – 1 м/с. Поэтому для получения силикатных или кварцевых стекол достаточно скорости закаливания 0.1 К/с, а для металлических – порядка 10⁶ К/с.

Критическая скорость закаливания – важнейшая характеристика стекол – это минимальная скорость снижения температуры расплава, при которой кристаллизация в ходе образования твердого аморфного материала не протекает.

Значения критической скорости зависят от состава стекол. Например, у многих фтороцирконатных стекол она находится в пределах 4–8 К/с; у кварцевых и силикатных – 0.1 К/с; у металлических стекол первого поколения – 10⁶ К/с. В то же время скорость роста зародышей кристаллической фазы у стекол трех типов образуют обратный ряд.

От величины критической скорости закаливания зависит критический (максимальный) размер получаемого изделия из стекла. Некоторые стекла могут быть получены только в виде тонких пленок. При переходе к наноразмерам устойчивость стёкол возрастает.

Переход к нанометровым размерам способствует стабилизации аморфного состояния. Однако не любое аморфное состояние полностью бесструктурно. Стекло, получаемое охлаждением расплава, микроскопически неоднородно. Это следует из образования более или менее регулярных микроскопических ямок при травлении в кинетическом режиме (когда нет условий для полирующего травления), а также из возможности формирования стеклокристаллических материалов.

Экспериментально установлено, что структура наноразмерных металлических стекол отличается от структуры обычных стекол такого же состава. Кроме того, и в обычных стёклах имеются нанообласти.

К наноматериалам относят нанопористые стёкла, фотонные стёкла и некоторые электрохромные материалы.

Под стеклокристаллическими понимают материалы, полученные направленной кристаллизацией стекол при их термической обработке.^2-45

Ситаллы по существу являются композиционными материалами, т.к. содержат стекловидную матрицу и одну или несколько кристаллических фаз с минимальным размером частиц до 2–3 мкм или меньше. Доля кристаллической фазы может составлять до 90–95%.

Кристаллизация стекол при образовании ситаллов может быть двух видов – неравномерная и равномерная. Если число центров кристаллизации невелико, то такими центрами могут выступать частицы на поверхности, и кристаллизация протекает на поверхности или в приповерхностных слоях. При сравнительно большой концентрации центров кристаллизации – порядка 10¹² см³ – процесс образования кристаллической фазы протекает равномерно по всему объему исходной стеклянной заготовки.

Режимы получения ситаллов можно понять при рассмотрении рисунков. Для каждого стекла существуют температурные области, в которых образование зародышей кристаллической фазы (центров кристаллизации) и рост зародышей протекают с наибольшими скоростями. В соответствии с этим выбирают режимы получения стеклокристаллических материалов (рис. 30). Стекломассу после варки

Рис. 30.

охлаждают до температур образования зародышей, выдерживают при этой температуре и затем нагревают до температур, отвечающих максимальным скоростям роста кристаллов. Концентрация зародышей определяется температурой и длительностью выдерживания, а размер кристаллов и их объемная доля в конечном материале – длительностью выдерживания при температуре роста кристаллов.

Для промотирования роста кристаллической фазы обычно вводят мелкодисперсные добавки оксидов (TiO₂, ZrO₂, P₂O₅ и др.) или металлов (Cu, Ag, Au, Pt).

Процесс можно инициировать УФ-облучением, что позволяет также проводить формообразование физико-химическими методами. После облучения через маску заданной конфигурации многие ситаллы, образовавшиеся в литийсодержащих стеклах, растворяются значительно быстрее, чем исходное стекло и могут быть селективно вытравлены специально подобранными реагентами.^2-46

Подобные ситаллам материалы можно получать методом порошковой (керамической) технологии: сначала изготавливать из стекла гранулят, а за тем в присутствии связки формовать и спекать изделия с одновременной кристаллизацией. Для получения исходных стекол можно использовать золь–гель-технологию (разд. 5.2.1).

2.4. Композиты

Наноматериалы и нанокомпозиты – новая область материаловедения, все больше привлекающая внимание специалистов и имеющая перспективы очень быстрого роста. ^2-47

Композиты представляют собой твердые материалы, содержащие не менее двух компонентов и имеющие четкие границы между фазами компонентов. Композиты могут быть гранулярными, волокнистыми или слоистыми (рис. 31). Гранулярные характеризуются наличием матрицы

Рис. 31.

(сплошная фаза) и наполнителя (дисперсная фаза), между которыми и существуют межфазные границы. В случае волокнистых композитов наполнителем можно считать волокна, а матрицей – связующее. Своеобразными слоистыми композитами можно считать интеркалаты. Существуют более сложные формы композитов.

Композиты классифицируют по химическому составу матриц, размеру и форме частиц наполнителей, способам укладки частиц наполнителей и др. Наиболее распространены полимерные, керамические и металлические матрицы, на основе которых созданы полимеркерамические, полимер-металлические, керамикометаллические (матрица – керамика) и металло-керамические (матрица – металл, сплав или интерметаллид) композиты. Значительно меньшее значение имеют нанокомпозиты на основе стекол, хотя к таковым в полной мере относятся ситаллы (стеклокерамические композиты). В то же время введение, например, в барий-кальцийсиликатное стекло около 4 мас.% методом горячего прессования нанотрубок BN повышает прочность на 90%, а трещиностойкость на 35%.

Дата добавления: 2015-07-24